基于多總線技術的多軸測控系統(tǒng)設計

高榮釗，黃敘輝，李 平，周 潤

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高速空氣動力學研究所，四川 綿陽 621000)

基于多總線技術的多軸測控系統(tǒng)設計

高榮釗，黃敘輝，李 平，周 潤

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高速空氣動力學研究所，四川 綿陽 621000)

為了研制一套具有空間六自由度的運動控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在已有機械本體的前提下，進行測控系統(tǒng)軟硬件方案設計和主要器件選型。根據(jù)當前主要總線技術的特點和發(fā)展趨勢，提出了基于PXI總線技術、EtherCAT總線技術、Profibus總線技術等多總線技術的測控系統(tǒng)技術方案，并描述了測控系統(tǒng)設計和器件選型，闡述了關鍵技術難點及實現(xiàn)途徑。所開發(fā)多軸測控系統(tǒng)具有可靠性高、控制靈活、采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定等特點，能夠在風洞試驗的嚴苛環(huán)境下滿足使用要求。

多軸； 運動控制； 測量與控制系統(tǒng)； 總線技術

捕獲軌跡試驗是空氣動力試驗領域內(nèi)非常重要的一項特種試驗，需要用到一套專用試驗裝置。該試驗裝置主要包括一套空間六自由度機構及相應的測量與控制系統(tǒng)[1]。其中，測量與控制系統(tǒng)是整套試驗裝置的核心，負責運動解算與控制、信號采集與處理、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與管理[2]。本文是在已有機械本體的前提下，完成測量與控制系統(tǒng)的詳細方案設計和部分關鍵器件的選型。

PXI總線技術經(jīng)過多年發(fā)展，已成為主流的自動化測試、測量與控制應用平臺，廣泛應用于航空、航天、國防等眾多領域。采用PXI總線的系統(tǒng)具有組建靈活、數(shù)據(jù)采集與傳輸快、采集精度及可靠性高等優(yōu)點。

EtherCAT是一種實時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術，網(wǎng)絡性能上達到了一個新的高度，數(shù)據(jù)傳輸速率達2×100 Mbaud(全雙工)，其內(nèi)部I/O和驅(qū)動使用以太網(wǎng)通訊(以太網(wǎng)幀≥84 Bytes)。1000個分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30 μs，其中包括端子循環(huán)時間。通過一個以太網(wǎng)幀，與100個伺服軸的通訊只需要100 μs。在此期間，可以向所有軸提供設置值和控制數(shù)據(jù)，并報告它們的實際速度、位置等所有狀態(tài)。分布式時鐘技術保證了這些軸之間的同步時間偏差小于1 μs。EtherCAT接線靈活，直線連接可接任意多節(jié)點，還可做多種拓撲變形接法，樹形拓撲可任意擴展?？刂葡到y(tǒng)本身具備最大限度的擴展性，無需再有插槽。

Profibus總線是一種國際化、開放式、不依賴于設備制造商的現(xiàn)場總線標準。Profibus-DP作為業(yè)界應用最廣泛的現(xiàn)場總線技術，其最大優(yōu)點在于具有穩(wěn)定的國際標準EN50170作保證，并經(jīng)實際應用驗證具有普遍性。

運動控制系統(tǒng)的運動控制模式主要有位置控制模式和速度控制模式，而且大都是在事先知道目標值的情況下實現(xiàn)的。位置控制模式簡單易行，速度控制模式效率較高，但控制復雜[3]。捕獲軌跡空氣動力試驗中，目標速度是不斷變化、實時更新的，不像一般的測控運動控制系統(tǒng)中的速度控制是已知速度值然后簡單按照該值進行速度控制，因此需要掌握復雜控制策略和時空轉(zhuǎn)換技術[4-5]。

1 總體方案設計

本方案設計內(nèi)容繁多、技術復雜，涉及機械、測控、軟件、通信等領域，設計重點是實現(xiàn)系統(tǒng)響應實時性、小信號的屏蔽及保護，運動同步控制及運動解耦則是設計的難點。綜合分析當前技術現(xiàn)狀、實施周期、風險、使用時間及成本，組合使用PXI總線、EtherCAT總線、Profibus-DP總線技術，采用速度控制模式。選用基于PXI總線的機箱及數(shù)據(jù)采集卡等相關產(chǎn)品，以及獨立的運動控制器，開發(fā)相應軟件程序。采用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺LabVIEW進行軟件開發(fā)[6]。

測控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與軌跡運動方程求解子系統(tǒng)、六自由度機構運動控制子系統(tǒng)、機構運行狀態(tài)監(jiān)測和安全保護子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)等構成，系統(tǒng)結(jié)構具有集中控制的多層分布式結(jié)構，總體結(jié)構如圖1所示。其中，監(jiān)控管理計算機是測控系統(tǒng)和人機交互的核心部分，負責完成人機界面、安全聯(lián)鎖、網(wǎng)絡通信、工作和數(shù)據(jù)顯示、管理功能，在其上運行Windows操作系統(tǒng)；PXIe-RT系統(tǒng)是完成測控系統(tǒng)測量和軌跡計算的核心，在其上運行NI RT實時操作系統(tǒng)；運動控制器用于實現(xiàn)對機構的運動控制，它輸出控制信號至伺服電機驅(qū)動器，伺服電機驅(qū)動器完成信號放大并驅(qū)動伺服電機運轉(zhuǎn)；安全保護系統(tǒng)用于檢測機構限位、碰地、短路、緊急停車等信號，另外安全保護系統(tǒng)還可實現(xiàn)機構上電、去電以及系統(tǒng)使能等操作功能。系統(tǒng)間通訊方式為：監(jiān)控管理計算機與PXIe-RT系統(tǒng)通過TCP/IP和NI-PSP協(xié)議進行通訊，與運動控制器之間通過TCP/IP協(xié)議進行通訊；PXIe-RT系統(tǒng)與運動控制器之間通過Profibus-DP協(xié)議進行通訊，運動控制器和伺服驅(qū)動器、安全保護系統(tǒng)之間通過EtherCAT協(xié)議進行通訊[7]。

圖1 測控系統(tǒng)結(jié)構框圖

整個測控系統(tǒng)由交流凈化穩(wěn)壓電源、直流電源柜、伺服驅(qū)動柜、數(shù)據(jù)采集機柜和六自由度機構、監(jiān)控電腦組成。

2 測控系統(tǒng)硬件設計

2.1 電氣部分設計

為降低伺服驅(qū)動系統(tǒng)對信號測量系統(tǒng)的干擾，采用直流伺服驅(qū)動器，整個伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用直流供電。系統(tǒng)電氣結(jié)構框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電氣結(jié)構框圖

2.2 伺服控制部分設計與主要器件選型

在捕獲軌跡試驗中，速度控制要求實時性較高，從采集系統(tǒng)采集原始數(shù)據(jù)開始，經(jīng)過信號處理、分析解算、計算目標值、發(fā)出控制指令、執(zhí)行機構開始動作，總時間要在10 ms以內(nèi)。

采用一主多從的EtherCAT網(wǎng)絡結(jié)構，基于EtherCAT總線的直流伺服驅(qū)動器作為從站設備，利用驅(qū)動器內(nèi)DSP芯片進行實時電機位置、速度控制?？刂破髋c多軸伺服電機驅(qū)動器之間，可通過一主多從方式實時、同步地傳送運動命令和接收運動狀態(tài)，實現(xiàn)多軸之間的同步協(xié)調(diào)控制。如圖3所示。

圖3 伺服控制系統(tǒng)結(jié)構框圖

由圖3可知，帶有EtherCAT接口的運動控制器系統(tǒng)主站，通過編程對從站及其運動方式進行配置。此外，主站周期性地通過EtherCAT網(wǎng)絡發(fā)送帶有從站控制器命令的數(shù)據(jù)幀，實現(xiàn)對各個伺服子系統(tǒng)的控制，從而實現(xiàn)各個伺服電機的位置控制、速度調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集等控制要求，同時，各從站控制器在控制周期能通過插入相應報文反饋到主站的運動控制器。由于EtherCAT技術良好的網(wǎng)絡性能和數(shù)據(jù)傳輸能力，系統(tǒng)能夠有效地對伺服系統(tǒng)狀況進行實時監(jiān)控，大大提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率[8]。

伺服控制部分硬件響應時間、指令傳輸速度等性能指標是速度控制要求較高的地方，合理地優(yōu)化方案，選擇互相匹配的驅(qū)動控制器件，可以有效提升速度控制模式的實際效果。

根據(jù)測控系統(tǒng)總體設計，選用TRIO公司帶EtherCAT總線的MC664 P862網(wǎng)絡運動控制器。該運動控制器是一款基于EtherCAT網(wǎng)絡的多軸運動控制器，與Elmo的EtherCAT智能化驅(qū)動器配合，可組成全面的運動控制解決方案。MC664 P862網(wǎng)絡控制器使用高效率的分布式運動控制架構，能控制多達128個軸，并且具有四核64位處理器、各種專用通訊接口，還具有靈活的電子凸輪等諸多功能。

Elmo數(shù)字式驅(qū)動器擁有小體積、高功率密度、高剛性、高可靠性、智能化等優(yōu)點，廣泛應用于機器人、包裝印刷、多軸設備。本方案選用G-EAG系列直流伺服驅(qū)動器。

驅(qū)動元件是系統(tǒng)中重要的組成部分，其性能直接影響整個系統(tǒng)的性能。由于系統(tǒng)需要采集的原始信號是毫伏級的電壓信號，抗干擾能力非常弱，為確保測量系統(tǒng)的穩(wěn)定，選用ESA直流伺服電機。直流電機工作時產(chǎn)生的電磁干擾較交流電機有大幅降低。

2.3 主要器件布局設計

直流電源柜內(nèi)放置驅(qū)動直流電源、控制電源和濾波放大器等；伺服機柜內(nèi)放置運動控制器、直流伺服驅(qū)動器、電氣保護系統(tǒng)和其他相關器件，整個伺服機柜均采用直流電源供電；數(shù)據(jù)采集機柜內(nèi)放置PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、KVM組件、信號放大濾波器、直流線性電源等。

由于選用的是小體積、高功率的直流伺服驅(qū)動器，可以將系統(tǒng)內(nèi)4個軸驅(qū)動器放置于機構內(nèi)部，通過通信總線和系統(tǒng)連接，這樣將大大減少機構與機柜間傳輸導線的數(shù)量，同時可進一步降低伺服系統(tǒng)對信號測量系統(tǒng)的干擾。

2.4 電氣保護系統(tǒng)設計

圖4 電氣保護系統(tǒng)框圖

電氣保護系統(tǒng)的主要功能是對驅(qū)動系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控以及對各種限位、制動、故障報警、急停等信號的監(jiān)控。

通過對系統(tǒng)的分析，本系統(tǒng)有開關量輸入點48個、開關量輸出點27個。選用基于EtherCAT總線的電氣保護系統(tǒng)，如圖4所示。

2.5 采集系統(tǒng)設計與選型

采集系統(tǒng)需要對6路毫伏級的天平信號采集、放大、調(diào)理，并進行運算等處理；同時要對系統(tǒng)27路監(jiān)控信號完成實時掃描和響應。

采集系統(tǒng)主控計算機基于PXI總線平臺，由PXI機箱、嵌入式控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、ProfIbus-DP通信模塊、前置放大器、信號調(diào)理模塊等組成。

因為測控系統(tǒng)要建立速度控制模式，需要很強的實時性，系統(tǒng)控制器性能要選擇性能較高的產(chǎn)品。綜合考慮設備價格和性能，選用NI PXIe-8135嵌入式實時系統(tǒng)控制器、NI PXIe-1082機箱。

系統(tǒng)前置放大器有8個通道，為差分電壓信號，加上另外3路單端信號，共11路模擬信號需要采集，由此選用NI PXI-6284數(shù)據(jù)采集卡。

信號采集系統(tǒng)由NI PXI-6284高速數(shù)據(jù)采集模塊、NI SCB-68適配器、MI2418信號調(diào)理模塊、前置放大器、線性電源、軍用連接器等組成。系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。

圖5 采集系統(tǒng)結(jié)構框圖

數(shù)據(jù)分析處理機完成分析任務，監(jiān)控計算機負責信號采集與分析、數(shù)據(jù)處理、機構運動控制、狀態(tài)監(jiān)控等，測控系統(tǒng)提供信號的前置放大調(diào)理及信號傳輸?shù)奈锢硗ǖ馈?/p>

監(jiān)控計算機運行軟件功能模塊主要有：數(shù)據(jù)采集模塊、通道校準處理模塊、狀態(tài)監(jiān)控模塊、硬件驅(qū)動與通訊模塊、數(shù)據(jù)計算處理模塊、靜態(tài)調(diào)試模塊、故障處理模塊、系統(tǒng)參數(shù)設置模塊、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)模塊等，每個模塊下分別包括一些子模塊和相關功能函數(shù)。

運動方程解算由預先寫入并駐留在運動控制器內(nèi)的相應程序完成，監(jiān)控程序?qū)懭腚姎獗Ｗo系統(tǒng)。電氣保護系統(tǒng)實時監(jiān)測并保護系統(tǒng)安全，同時與監(jiān)控計算機進行實時通信，向監(jiān)控計算機反饋信息并獲取指令。

數(shù)據(jù)分析處理機搭載圖形顯示、數(shù)據(jù)分析與處理軟件，通過以太網(wǎng)與工作現(xiàn)場的其他計算機聯(lián)網(wǎng)。

需要采集的毫伏級信號通過前置放大器放大后，輸出±10 V的差分信號，通過連接器接口接入數(shù)據(jù)采集機柜，PXI采集模塊及測試軟件完成信號采集和分析。此時天平應變傳感器的激勵電壓及反饋監(jiān)測電壓也通過連接器接口接入采集系統(tǒng)。

3 測控系統(tǒng)軟件設計

采用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺LabVIEW和運動控制專用軟件進行軟件開發(fā)，設計上位機監(jiān)控管理軟件、數(shù)據(jù)采集軟件、安全監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)處理程序、速度控制程序等。

圖6 軟件總體結(jié)構

監(jiān)控管理計算機上運行監(jiān)控管理軟件，嵌入式實時控制器上運行數(shù)據(jù)采集和軌跡生成軟件，多軸運動控制器上運行運動控制執(zhí)行軟件，電氣保護系統(tǒng)上運行安全監(jiān)控軟件。各部分的功能和系統(tǒng)間的通信方式如圖6所示。

為了確保整個測控系統(tǒng)的實時性，在嵌入式控制器中配置了RTOS實時操作系統(tǒng)，在嵌入式控制器和多軸運動控制器間配置了專門的高速通信的Profibus-DP數(shù)字通訊總線。其中RTOS實時操作系統(tǒng)提供了高效的實時任務調(diào)度、中斷管理、系統(tǒng)資源和任務間的通訊等功能，實現(xiàn)了速度控制過程中任務間時序關系、運動時間的精確控制；Profibus-DP總線的雙向數(shù)據(jù)通訊中，多軸運動控制器和NI嵌入式控制器之間的數(shù)據(jù)刷新周期達到2 ms。

4 關鍵技術問題及解決途徑

4.1 六軸聯(lián)動功能實現(xiàn)

在進行多軸同時運動時，需要實現(xiàn)同步運動，即希望這些軸能同時起動、同時停止。本方案選用TRIO公司帶EtherCAT總線的MC664 P862網(wǎng)絡運動控制器。利用其軟件提供的一些標準函數(shù)，自行開發(fā)一定的自定義函數(shù)，可以完美實現(xiàn)多軸聯(lián)動。

4.2α，β軸解耦運算

由于結(jié)構上的固有關系，α，β軸的運動具有關聯(lián)性，即α軸的位置變化，不影響β軸的位置，但β軸的位置變化，會影響α軸的位置。因此，在α，β軸的運動控制過程中，必須要有α，β軸解耦運算，實現(xiàn)跟隨運動和協(xié)調(diào)運動。

采用電子凸輪技術，能解決α，β軸的耦合問題。電子凸輪是指利用數(shù)字伺服技術模擬機械凸輪運動的運動過程。電子凸輪系統(tǒng)主要由伺服電機、D/A轉(zhuǎn)換器、計算機和軸位置編碼器4個部分組成。電子凸輪的機械功能主要由伺服電機做功來完成。

4.3 伺服系統(tǒng)電磁干擾抑制

由于天平傳感器輸出的是毫伏級電壓信號，極易受到外界的電磁干擾，測控系統(tǒng)設計全過程需要充分考慮電磁干擾抑制與屏蔽。另外，設備工作現(xiàn)場具有復雜的電磁環(huán)境，自身及相互干擾強烈，近距離同時工作將產(chǎn)生難以預料的電磁干擾，對信號的干擾情況無從預知。為此，需要在多方面采取有力措施，確保工作信號得到有效保護。

對于伺服驅(qū)動系統(tǒng)干擾抑制，采用下列方式進行抗干擾處理：

(1)采用直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)；

(2)高電平與低電平、模擬電路組件與數(shù)字電路組件之間盡量遠離，采取屏蔽與隔離措施；

(3)系統(tǒng)內(nèi)所有傳輸導線均選用進口雙絞雙層短節(jié)距屏蔽導線，編制網(wǎng)覆蓋率100%。

對于供電電源系統(tǒng)的干擾抑制，采用下列方式進行抗干擾處理：

(1)采用精密交流穩(wěn)壓凈化電源供電，即在直流穩(wěn)壓電源的交流進線側(cè)增加電子交流穩(wěn)壓器，用來穩(wěn)定220 V單向交流進線電壓，可以進一步提高電源電壓的穩(wěn)定性；

(2)增加低通濾波器，用來濾去電源進線中的高頻分量或脈沖電流；

(3)加入隔離變壓器，以阻斷干擾信號的傳導通路，并抑制干擾信號的強度。

對于接地系統(tǒng)干擾抑制，采用下列方式進行抗干擾處理：

(1)單點接地，天平信號從設備的最前端通過機構本體、傳輸線纜、測量機柜，最終進入采集系統(tǒng)，為避免其信號傳輸線纜外層屏蔽由于接地點遠而形成的環(huán)路，采用單點接地的方法來切斷，在機柜處單點接入大地；

(2)并聯(lián)接地，對于機構本體上多臺電機及機柜內(nèi)多臺驅(qū)動器的接地線，為避免設備采用公用地線串聯(lián)接地而形成的環(huán)路，采用并聯(lián)接地的方法來切斷。

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[責任編輯：魏 強]

Development of a multi-axis measurement and control system based on bus technology

GAO Rong-zhao,HUANG Xu-hui,LI Ping,ZHOU Run

(High Speed Aerodynamics Institute,China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang 621000,China)

In order to develop a motion control and data acquisition system with six degrees of spacial freedom,it is necessary to work out a design of hardware and software for measurement and control system and main device selection. In accordance with the main technology features and development trends,the study proposes a scheme based on PXI,EtherCAT and Profibus technology,and describes the detailed design and device selection,and elaborates on the key technology and approaches.the multi-axis measurement and control system developed is reliable,flexible in control and steady in data collection,thus meeting the demands for severe conditions in wind tunnel test.

developing; measurement and control system; bus technology; solving approachs; key technologies

2096-3998(2017)03-0035-07

2017-02-12

2017-03-03

高榮釗(1973—)，男，重慶市銅梁區(qū)人，中國空氣動力研究與發(fā)展中心工程師，碩士，主要研究方向為機電一體化及風洞試驗測控技術應用；黃敘輝(1965—)，男，四川省合江縣人，中國空氣動力研究與發(fā)展中心研究員，博士，主要研究方向為控制科學與工程；李平(1968—)，男，四川省眉山市人，中國空氣動力研究與發(fā)展中心高級工程師，碩士，主要研究方向為風洞試驗測量、控制及數(shù)據(jù)處理；周潤(1981—)，男，四川省綿竹市人，中國空氣動力研究與發(fā)展中心工程師，碩士，主要研究方向為風洞試驗測控技術。

V211.74

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